Introdução de sinais e sistemas

Este tutorial cobre os conceitos básicos de sinais e sistema necessários para a compreensão dos conceitos de processamento digital de imagens. Antes de entrar nos conceitos de detalhes, vamos primeiro definir os termos simples.

Sinais

Em engenharia elétrica, a quantidade fundamental de representação de algumas informações é chamada de sinal. Não importa quais são as informações, ou seja: Informações analógicas ou digitais. Em matemática, um sinal é uma função que transmite algumas informações. Na verdade, qualquer quantidade mensurável através do tempo no espaço ou qualquer dimensão superior pode ser tomada como um sinal. Um sinal pode ser de qualquer dimensão e pode ser de qualquer forma.

Sinais analógicos

Um sinal pode ser uma grandeza analógica, o que significa que é definido em relação ao tempo. É um sinal contínuo. Esses sinais são definidos em variáveis independentes contínuas. Eles são difíceis de analisar, pois carregam um grande número de valores. Eles são muito precisos devido a uma grande amostra de valores. Para armazenar esses sinais, você precisa de uma memória infinita porque ela pode atingir valores infinitos em uma linha real. Os sinais analógicos são denotados por ondas sin.

Por exemplo:

Voz humana

A voz humana é um exemplo de sinais analógicos. Quando você fala, a voz produzida viaja pelo ar na forma de ondas de pressão e, portanto, pertence a uma função matemática, tendo variáveis independentes de espaço e tempo e um valor correspondente à pressão do ar.

Outro exemplo é a onda sin que é mostrada na figura abaixo.

Y = sin (x) onde x é independente

Sinais digitais

Em comparação com os sinais analógicos, os sinais digitais são muito fáceis de analisar. Eles são sinais descontínuos. Eles são a apropriação de sinais analógicos.

A palavra digital significa valores discretos e, portanto, significa que eles usam valores específicos para representar qualquer informação. No sinal digital, apenas dois valores são usados para representar algo, ou seja: 1 e 0 (valores binários). Os sinais digitais são menos precisos do que os sinais analógicos porque são amostras discretas de um sinal analógico obtido durante um determinado período de tempo. No entanto, os sinais digitais não estão sujeitos a ruído. Portanto, eles duram muito e são fáceis de interpretar. Os sinais digitais são denotados por ondas quadradas.

Por exemplo:

Teclado de computador

Sempre que uma tecla é pressionada no teclado, o sinal elétrico apropriado é enviado ao controlador do teclado contendo o valor ASCII daquela tecla específica. Por exemplo, o sinal elétrico gerado quando a tecla a do teclado é pressionada, carrega a informação do dígito 97 na forma de 0 e 1, que é o valor ASCII do caractere a.

Diferença entre sinais analógicos e digitais

Elemento de comparação	Sinal analógico	Sinal digital
Análise	Difícil	Possível analisar
Representação	Contínuo	Descontínuo
Precisão	Mais preciso	Menos preciso
Armazenamento	Memória infinita	Facilmente armazenado
Sujeito a ruído	sim	Não
Técnica de Gravação	O sinal original é preservado	Amostras do sinal são coletadas e preservadas
Exemplos	Voz humana, termômetro, telefones analógicos etc.	Computadores, telefones digitais, canetas digitais, etc.

Sistemas

Um sistema é definido pelo tipo de entrada e saída com que lida. Já que estamos lidando com sinais, então em nosso caso, nosso sistema seria um modelo matemático, um pedaço de código / software, ou um dispositivo físico, ou uma caixa preta cuja entrada é um sinal e executa algum processamento naquele sinal, e a saída é um sinal. A entrada é conhecida como excitação e a saída como resposta.

Na figura acima, foi mostrado um sistema cuja entrada e saída são sinais, mas a entrada é um sinal analógico. E a saída é um sinal digital. Isso significa que nosso sistema é na verdade um sistema de conversão que converte sinais analógicos em sinais digitais.

Vamos dar uma olhada no interior deste sistema de caixa preta

Conversão de sinais analógicos em digitais

Uma vez que existem muitos conceitos relacionados a esta conversão de analógico para digital e vice-versa. Discutiremos apenas aqueles que estão relacionados ao processamento digital de imagens. Existem dois conceitos principais que estão envolvidos na conversão.

Sampling
Quantization

Amostragem

Amostragem, como o próprio nome sugere, pode ser definido como obter amostras. Obtenha amostras de um sinal digital no eixo x. A amostragem é feita em uma variável independente. No caso desta equação matemática:

A amostragem é feita na variável x. Também podemos dizer que a conversão do eixo x (valores infinitos) para digital é feita por amostragem.

A amostragem é ainda dividida em amostragem ascendente e amostragem inferior. Se a faixa de valores no eixo x for menor, então aumentaremos a amostra de valores. Isso é conhecido como up sampling e vice-versa é conhecido como down sampling.

Quantização

Quantização, como o nome sugere, pode ser definida como divisão em quanta (partições). A quantização é feita na variável dependente. É o oposto da amostragem.

No caso desta equação matemática y = sin (x)

A quantização é feita na variável Y. Isso é feito no eixo y. A conversão dos valores infinitos do eixo y em 1, 0, -1 (ou qualquer outro nível) é conhecida como Quantização.

Estas são as duas etapas básicas envolvidas na conversão de um sinal analógico em um sinal digital.

A quantização de um sinal é mostrada na figura abaixo.

Por que precisamos converter um sinal analógico em sinal digital.

A primeira e óbvia razão é que o processamento digital de imagens lida com imagens digitais, que são sinais digitais. Assim, sempre que a imagem é capturada, ela é convertida em formato digital e, em seguida, é processada.

A segunda e importante razão é que, para realizar operações em um sinal analógico com um computador digital, você deve armazenar esse sinal analógico no computador. E para armazenar um sinal analógico, é necessária uma memória infinita para armazená-lo. E como isso não é possível, é por isso que convertemos esse sinal em formato digital e depois o armazenamos em um computador digital e então realizamos as operações nele.